UWB通道選擇、信號阻擋和反射對UWB定位范圍和定位精度的影響（一）-視線通道（LOS）
發(fā)布日期：2020-05-11 瀏覽次數(shù)：907次

本文主要說明UWB信號通道的特性對UWB通信范圍和UWB測距精度的影響，由于篇幅較長，分3篇分享。

（一）頻道類型

1，頻道

當(dāng)考慮無線電方案中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信道時(shí)，該信道的最重要屬性之一是它是否為：視線（LOS）和非視線（NLOS）。

通道可以具有許多其他屬性，本章我們將主要關(guān)注這一主要區(qū)別。在整整篇行文中，為簡潔起見，“視線”縮寫為“ LOS”，“非視線”縮寫為“ NLOS”。

2，范圍

在本文中，重要的是要理解以下術(shù)語之間的區(qū)別：

取決于頻道，這兩者可能相同也可能不同，在某些情況下，絕對不會(huì)相同。

接收機(jī)通過為每個(gè)接收到的幀推導(dǎo)發(fā)送器和接收器之間的通信信道的脈沖響應(yīng)來進(jìn)行操作。它通過處理每個(gè)IEEE802.15.4-2011 UWB幀開始處的前導(dǎo)序列來實(shí)現(xiàn)此目的。

UWB接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)：

（1）從噪聲層下面檢測信號。

（2）提取直接路徑信號及其后的任何多路徑信號。

（3）處理脈沖響應(yīng)，并在該響應(yīng)中標(biāo)記超過動(dòng)態(tài)調(diào)整的檢測閾值的第一個(gè)峰值的時(shí)間戳。

通過應(yīng)用軟件可以訪問的寄存器報(bào)告脈沖響應(yīng)中第一個(gè)峰值的時(shí)間戳。然后可以以各種不同的方式使用此值來實(shí)現(xiàn)定位和測距方案。

（二）LOS操作

如果可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的天線之間畫一條假想的直線，則在兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間存在一條清晰的視線。

從RF角度區(qū)分光學(xué)清晰的視線和清晰的視線很重要：

當(dāng)沒有物理物體阻礙從另一天線的位置觀看一個(gè)天線時(shí)，存在光學(xué)透明的LOS。

如果在光學(xué)視線周圍的定義區(qū)域（稱為菲涅耳區(qū)域）沒有障礙物，則存在RF視線。有關(guān)此主題的更多信息，請參見附錄。

對于UWB設(shè)備之間的通信，關(guān)注的是RF視線。

1，LOS頻道的通訊范圍

兩個(gè)UWB設(shè)備之間的通信范圍取決于：（1）到達(dá)接收器的信號電平；（2）接收器的靈敏度。

只要接收器處的信號電平大于或等于接收器靈敏度，接收器就可以檢測到信號，并且通信將成功進(jìn)行。

通過查看Friis的路徑損耗公式可以看出，接收信號的電平取決于許多因素：

其中：

PR為接收信號電平；

PT是發(fā)射功率。

G包括發(fā)送和接收天線的天線增益，以及來自外部放大器的任何其他增益。在正確校準(zhǔn)的系統(tǒng)中，UWB發(fā)射機(jī)發(fā)射足夠的功率，從而使發(fā)射天線輻射-41.3 dBm / MHz。

L包括系統(tǒng)中的任何PCB，電纜，連接器和其他損耗；

c是光速299792458 m / s；

fc是所用通道的中心頻率，以赫茲表示；

d是發(fā)射器和接收器之間的距離（以米為單位）。

如果PR大于接收器靈敏度，則信號將被正確接收。PR的值與接收器靈敏度之間的差稱為“鏈接余量”，它表示通道上通信的魯棒性。較大的鏈路余量意味著通信很健壯，并且可以處理其他衰減而不會(huì)引起通信損耗，反之亦然。

Friis的公式清楚地表明：

對于給定的距離，隨著信號頻率的增加，路徑損耗也會(huì)增加。

對于給定的頻率，隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離增加，路徑損耗也會(huì)增加。

因此，要最大化范圍可以關(guān)注以下3點(diǎn)：

（1）發(fā)射功率需要保持在最大允許極限，以確保將最大能量傳輸?shù)叫诺乐小＿@些限制由世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定，對于正常的UWB操作，通常為-41.3 dBm / MHz。

（2）必須將由于PCB和天線效應(yīng)引起的損耗保持在最低水平，然后阻抗正確匹配。

（3）如果最大范圍是最重要的要求，則應(yīng)使用可能的最低信道頻率。

接收器靈敏度取決于許多參數(shù)，包括所選通道和數(shù)據(jù)速率。對于最長的范圍，應(yīng)使用最低的數(shù)據(jù)速率（110 kbps）。

（三）LOS通道的測距精度

為了確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，必須準(zhǔn)確地測量這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的無線電信號的飛行時(shí)間（TOF）。知道兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的TOF以及自由空間中無線電信號的速度，可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，如示圖1。

TOF測量的精度至關(guān)重要。TOF測量精度為1 ns，因此可以將范圍確定為大約1ns的精度。30厘米，而100 ps的測量精度使該數(shù)字降低到3厘米。通過UWB芯片自動(dòng)處理到達(dá)信號的時(shí)間戳，精度可以超過20 ps。

圖1：視線通道

其中：

TOF是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間

d是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際物理距離，以米為單位

d'是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的計(jì)算距離，以米為單位

c是光速，單位為m / s

由于信道中沒有障礙物，因此沒有NLOS效應(yīng)，因此d = d'，測距精度由信道帶寬和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的其他因素決定。

在不存在多徑的最簡單LOS情況下，由UWB接收機(jī)檢測到的信號是一個(gè)單峰，代表直接路徑信號中的能量。這里有3種情況需要考慮：

表1：LOS通信和測距方案

第一種情況代表正確和正常的操作。嘗試通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)，以使一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該信號高于接收器的敏感度，并已正確接收，處理和加上時(shí)間戳。

第二種情況也代表正確和正常的操作。在這里，我們達(dá)到了正常通信的極限，但是到達(dá)的信號仍處于或高于接收器的靈敏度。

在第三種情況下，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無法進(jìn)行通信，因?yàn)樗鼈冊谧杂煽臻g中相隔太遠(yuǎn)，或者在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的RF路徑中有障礙物會(huì)衰減信號，使其低于接收器靈敏度水平。

（四）多路徑LOS操作

多徑是指一個(gè)信道，其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的直接路徑不是唯一存在的信號路徑。在現(xiàn)實(shí)世界中通常是這種情況。

多徑信號通常是由反射自RF反射表面的無線電信號引起的。這些表面可以相對于發(fā)射和接收天線（在上方，下方，后面，側(cè)面等）處于任何方向。

由單次反射引起的多路徑信號將在相位上與原始信號反相，因此可能會(huì)取決于兩條路徑的相對長度而在接收器處干擾直接路徑信號。

相對而言，在窄帶無線電方案中，使用的脈沖非常寬。這意味著存在大量的多路徑，反射信號將在該多路徑上重疊并干擾直接路徑信號。另一方面，在超寬帶方案中，脈沖非常窄（2 ns），因此只有很少的一組多徑信號，其路徑長度在直接路徑長度的2 ns之內(nèi)，并且能夠在接收器處引起干擾。

在LOS通道中，多路徑信號的能量少于直接路徑，并且它們在接收器和發(fā)送器之間的路徑長度都比直接路徑長。因此，它們的到達(dá)時(shí)間比直接路徑晚。正是這一性質(zhì)，使我們能夠?qū)⒅苯勇窂脚c后來到達(dá)的多路徑區(qū)分開來，從而計(jì)算出發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)之間的正確飛行時(shí)間。

從直接路徑檢測的角度來看，因?yàn)閺亩x上講，多路徑信號的能量都比LOS直接路徑少（它們更長，因此遭受更大的損失），所以具有多路徑的LOS情況與沒有多路徑的LOS情況沒有什么不同。

因?yàn)槌窃诜浅Ｌ厥獾那闆r下，否則多徑不會(huì)干擾UWB系統(tǒng)，因此與僅直接路徑的情況相比，沿著每個(gè)多徑的信號到達(dá)代表了到達(dá)接收機(jī)的額外能量。這可有效提高鏈路余量，并增加LOS通信范圍。

表2：存在多路徑的LOS場景

圖2：具有多路徑的LOS通道

圖2顯示了場景1中通信信道的脈沖響應(yīng)示例，來自表2。在沒有信號的情況下（圖的左側(cè)）的信道響應(yīng)是不相關(guān)的噪聲。在存在信號的情況下，脈沖響應(yīng)會(huì)顯示沿直接路徑和其后的每個(gè)多路徑接收的能量的大小。

第一路徑清晰可見，是接收到的最強(qiáng)信號。還存在強(qiáng)多徑，但是沒有任何多徑信號比直接路徑更強(qiáng)，這表明直接路徑是LOS路徑。

1，地面反彈導(dǎo)致多路徑

在室外環(huán)境和開闊的室內(nèi)空間中，最常見的多徑形式是由地面的RF反射引起的。圖3說明了這個(gè)概念。可以看出，在發(fā)送器和接收器之間有無數(shù)這樣的路徑。

這里最主要的問題是這些多徑分量在到達(dá)接收器時(shí)如何干擾直接路徑（或不干擾）。如3.4.1 以上，多徑長度必須在直接路徑長度的1 ns之內(nèi)，以使多路徑信號干擾直接路徑信號。顯然，這是一個(gè)非常特殊的情況，并且代表UWB由于多徑而容易衰落的唯一情況。顯然，這受地面上方兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的高度以及兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。

圖3：地面反射引起的多路徑

可以通過考慮在通道中心頻率處的兩個(gè)正弦波隨直接路徑長度和反射路徑長度的變化如何發(fā)生干擾（相長和相消）而進(jìn)行粗略分析。如果我們將此分析應(yīng)用于信道2（中心頻率為4 GHz），并考慮兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都位于離地面1 m的位置，則結(jié)果顯示為圖6。

圖4：由于地面反彈，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都在離地面1 m處而衰減

這表明，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相距約26 m時(shí)，衰落的可能性為-12 dB。由于UWB傳輸不是單一頻率，而是跨500 MHz傳播的，因此該分析是對現(xiàn)實(shí)情況的過度簡化，因此即使該帶寬的某些部分可能會(huì)在特定的多徑長度下衰減，該帶寬其他部分則不會(huì)。

2，室內(nèi)環(huán)境中的多路徑

隨著物理環(huán)境變得更加混亂，發(fā)送器和接收器之間的多徑數(shù)量也隨之增加。但是原則上按照表2的情況分析。

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